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1、安徽机电职业技术学院毕 业 论 文PLC控制交通灯系 （部） 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 201 201 学年第 二 学期摘 要PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，而现今PLC
2、技术飞快发展，应用越来越广，在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。同时交通控制更是趋向智能化方向发展，LED交通信号灯在持续发光、雨淋、灰尘等恶劣的气候条件下，仍然能保持较好的工作性能，而且价格更低廉。本文主要通过西门子PLC控制交通红绿灯。关键词：西门子S7-200，交通灯，PLC，梯形图。目 录摘要 2引言 5第一章概述 61.1 概述 61.2 PLC的特点 61.3 PLC的应用 61.4 PLC的结构 71.5 PLC的工作原理 71.6 PLC汇编语言 81.7 PL
3、C交通灯毕业设计编程器件 81.8 I/O分配及接线图. 8第二章PLC的选型和外围电路的设计 102.1 PLC的选型 102.2 外部电路设计注意问题 112.3 故障判断方法 11第三章梯形图的设计与编程方法 133.1 控制要求 133.2 控制时序 133.3 根据交通灯示意图模拟控制实验 133.4 顺序功能图 14第四章程序设计 164.1 PLC交通灯毕业设计梯形图 164.2 PLC交通灯毕业设计语句表 1843 软件设计交通灯时序波形图 204.4 PLC系统调试 21第五章PLC交通灯毕业论文设计总结 22谢辞 23参考文献 24引 言可编程控制器是工业自动化装置中应用最
4、多的一种设备。专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一,PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时,PLC本身还具有通讯联网功能,将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理,可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理。第一章概 述1.1 概述可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制
5、造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。1.2 PLC的特点1、编程简单。2、控制零活，程序可变，具有良好的柔性。3、功能强，扩充方便，性能价格比高。4、控制系统设计及施工的工作量少，维修方便。5、可靠性高，抗干扰能力强。6、体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产品
6、。1.3 PLC的应用目前，可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：1、开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2、运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PL
7、C厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 3、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 4、数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储
8、在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5、构建网络控制可编程序器的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备（如计算机、变频器）之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制器设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制体系。1.4 PLC的结构PLC实质上是一种专用与工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机再结构上分为固定式和组合式（模块式）两种，
9、固定式PLC包括CPU板，I/O板，显示面板，内存块，电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块，I/O模块，内存模块，电源模块，底板或机架。这些模块可以按照一定的规则组合配置。中央处理单元CPU板输入接口部件件接口部件输出 电源部件图1-1 PLC的基本结构1.5 PLC的工作原理1、输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。2、程序执行阶段：PLC对用户程序扫描。3、输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通
10、过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。1.6 PLC汇编语言采用面向控制过程，面向问题，简单直观的PLC编写横语言，常用的有：梯形图，语句表，功能图等。1、梯形图：由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但梯形图编程语言功能更强更方便。主要特点：1）自上而下，从左到右的顺序排列，左列垂直线为母线。2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“中间继电器”。3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其左端母线设有电源。4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。2、语句表：又叫指令表，类似计
11、算机汇编语言形式，用指令的记助符编程。梯形图与助记符的对应关系：助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。3、功能块图：功能块图程序设计语言是采用逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。1.7 PLC交通灯毕业设计编程器件一般情况下，I代表输入映像寄存器，Q代表输出映像寄存器，V代表变量存储器，M代表内部标志位存储器，SM代表特殊标志位存储器，L代表局部变量存储器，T代表定时器，C代表计数器，HC代表高速计数器，AC代表累加器，S代表顺序
12、控制继电器等。1.8 I/O分配及接线图硬件结构设计了解各个对象的控制要求，分析对象的控制要求，确定输入/输出(I/O)接口的数量，确定所控制参数的精度及类型。如对开关量，模拟量的控制，用户存储器的存储容量等。选择合适的PLC机型及外设，完成PLC的硬件结构配置。 根据上述选型及工作要求，绘制PLC控制交通灯的电路接线图，编制I/O接口功能表，根据信号控制要求，交通灯顺序功能图、I/O分配及其接线分别如图所示。所谓输入/输出接口电路是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件，各输入输出点的通断态用发光二极管（LED）显示，外部接线一般接在PLC的接线端子上。输入输出机内器件报警灯 Q0.0
13、T37 南北红灯 25S南北红灯Q0.1T38 东西红灯 25S启动开关I0.0南北绿灯Q0.2T39 东西绿灯 20S南北黄灯Q0.3T40 东西绿灯闪 3S东西红灯Q0.4T41 东西黄灯 2S东西绿灯Q0.5T42 南北绿灯 20S东西黄灯Q0.6T43 南北绿灯闪 3ST44 南北黄灯 2S图1-2 交通灯I/O分配表图1-3 交通灯PLC外部I/O分配及接线图第二章PLC的选型和外围电路的设计2.1 PLC的选型西门子PLC的选型应该着重考虑以下几点：功能要求、价格以及自己对该PLC的熟悉程度。下面通过对西门子PLC相关参数的介绍，来说明如何选型。1、中央处理器CPU的不同1）CPU
14、221不可以带扩展模块；CPU222可以带2个扩展模块；CPU224及以上可以带7个扩展模块。2）CPU224及以下不支持脉冲输出；CPU224XP支持2路100KHZ；CPU226支持2路20KHZ；CPU226及以上CPU支持6路脉冲输入。2、热电阻、热电偶模块的不同6ES7 231-7PD22-OXA8 EM231热电偶输入有4路输入6ES7 231-7PF22-0XA0 EM231热电偶输入有8路输入6ES7 231-7PB22-OXA8 EM231热电阻输入有2路输入6ES7 231-7PC22-0XA0 EM231热电阻输入有4路输入3、PID输出的不同S7-200CPU支持8路P
15、ID运算，可以调用编程软件里的向导直接编程，对应的模拟量输出模块可以选择如下：6ES7 232-0HB22-0XA8 EM232模拟量输出有2路输出6ES7 232-0HD22-0XA0 EM232模拟量输出有4路输出4、负载电压、电流类型不同 负载类型：晶体管只能带直流负载，而继电器带交、直流负载均可。 电流：晶体管电流0.2-0.3A，继电器2A。 电压：晶体管可接直流24V（一般最大在直流30V左右，继电器可以接直流24V或交流220V。 5、负载能力不同 晶体管带负载的能力小于继电器带负载的能力，用晶体管时，有时候要加其他东西来带动大负载（如继电器，固态继电器等）。1）晶体管过载能力小
16、于继电器过载的能力。一般来说，存在冲击电流较大的情况时（例如灯泡、感性负载等），晶体管过载能力较小，需要降额更多。 2）晶体管响应速度快于继电器。继电器输出型原理是CPU驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢（约10ms）。 3）晶体管输出型原理是CPU通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负载，响应时间快（约0.2ms甚至更小）。晶体管输出一般用于高速输出，如伺服步进等，用于动作频率高的输出：如温度PID控制， 主要用在步进电机控制，也有伺服控制，还有电磁阀控制（阀动作频率高）。 4） 在额定工作情况下，继电器有动作次数寿命，晶体管只有
17、老化没有使用次数限制，继电器是机械元件所以有动作寿命，晶体管是电子元件，只有老化，没有使用次数限制。继电器的每分钟开关次数也是有限制的，而晶体管则没有。 5）晶体管输出的价格稍贵一点。2.2 外部电路设计注意问题设计可编程控制器时， 安全性是第一重要的，即即使在外部的电源发生异常时，可编程控制器出现故障时，整个系统也能在安全状态下工作，请务必在可编程控制器外部，设置安全电路，误操作，误输出是产生事故的原因。1、务必在可编程控制器外部，设置如下几种电路，紧急停止电路，保护电路，正转逆转等相反操作的连锁电路，定位的上限/下线等防止损坏的连锁电路。2、可编程控制器CPU有监视定时器等自检功能 可编程
18、控制器CPU以监视定时器等自检功能，检测出异常时，输出全部关闭，担当可编程控制器的CPU检测不出输入输出控制部分的异常时就不能控制输出，这时，为使机器在安全状态下运行，请设计外电路及机构。3、设计确保传感器的后备电源产生过负荷时的安全：传感器的后备电源产生过负荷时，电压自动下降，除可编程控制器输入不工作之外，全部输出都关闭，这时，请设计外电路和机构，以使其在安全状况下工作。4、设计确保当有与重大故障有联系的输出信号时机器的安全：因输出继电器，晶体管的故障，输出时而为ON时而为OFF的现象出现，当有与重大故障有联系的输出信号时，请设计外电路和机构，以使机器在安全状况下运行。2.3 故障判断方法P
19、LC在安装、调试及运行过程中，难免会出现一些故障，针对这一点，我们可以通过相关现象来排除，具体方法如下：1、输入单元故障现象：输入信号常有；无输入信号；特定点信号常有或无。可能原因：输入元件损坏；各接线接触不良或者损坏；外部输入信号接通时间短；输入回路有短路、短路现象。2、输出单元故障现象：输出信号常有；无输出信号；特定点信号常有或无；PLC输出单元有信号但外接电器不动作。可能原因：输出端外接电器损坏；输出回路有断路、短路情况；接线端子 连接器接触不好；电源故障。3、CPU故障现象：电源指示灯异常；运行指示灯异常；错误指示灯异常。可能原因：电源电压波动超过允许范围；电池电量不足；环境温度、湿度
20、恶化；存储器电路或者记忆体损坏。第三章梯形图的设计与编程方法3.1 控制要求信号灯受启动及停止按钮的控制，当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环工作，当按下停止按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号灯都熄灭。3.2 控制时序信号灯受启动开关控制。当启动开关接同时，信号灯系统开始工作，先南、北红灯亮，在东、西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。1、南、北绿灯和东、西绿灯不能同时亮，如果同时亮则应关闭信号灯系统，并立刻报警。2、南、北红灯亮维持25s，在南、北红灯亮的同时东.西灯也亮，并维持20s，到20s时，东、西绿灯闪亮，闪亮3s 后熄灭。在动系绿灯熄灭时，东.西黄灯亮
21、，并维持2s。到2s时，东、西黄灯熄灭，东、西红灯亮。同时，南、北红灯熄灭，绿灯亮。3、东、西红灯亮维持30s，南、北绿灯亮维持25s，然后闪亮3s后熄灭，同时南、北黄灯亮，维持2s后熄灭，这时南、北红灯亮，东、西绿灯亮。4、上述动作循环进行。注意：要求南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，否则关闭系统，并立刻报警。3.3 根据交通灯示意图模拟控制实验1、在PLC交通灯模拟模块中，东西南北都有3个控制信号灯，他们分别是：1）禁止通行灯 （亮时为红色）2）允许通行 （亮时为绿色）3）准备禁止通行 （亮时为黄色）2、所以结合交通灯实际情况可以设计交通灯模拟控制实验：当交通系统起动开关接通时按照工作要求：南
22、北向和东西向均设有红灯25秒，绿灯20秒，绿灯闪亮3秒和黄灯2秒。当东西方向的红灯点亮时，南北方向应该依次点亮绿灯，绿灯闪亮，然后黄灯点亮。反之，当南北方向的红灯点亮时，东西方向应该依次点亮绿灯，绿灯闪亮，然后黄灯点亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。图3-1 交通示意图3.4 顺序功能图根据控制要求，可以画出顺序功能图：设启动按钮用I0.0表示, 6个工作状态分别用顺序控制继电器位S0.0，S0.1，S0.2，S0.3，S0.4，S0.5表示，分别用T0，T1，T2，T3，T4，T5表示定时器。当I0.0启动按钮得电时，将激活S0.0，进入第一步状态，在该状态南北红灯亮，东西绿灯亮，同时
23、启动定时器T1，T1定时时间到时，转换条件满足，结束S0.0激活S0.1进入下一个工作状态，在该状态南北红灯亮，东西绿灯闪。同时启动定时器T2，T2定时时间到时，转换条件满足，结束S0.1激活S0.2进入下一个工作状态，在该状态南北红灯亮，东西黄灯亮，依次激活S0.3，S0.4，S0.5，当定时器T6时间到时再次激活S0.0，不断循环执行。顺序功能图如下：南北红灯亮东西绿灯闪南北红灯亮东西绿灯亮南北红灯亮东西黄灯亮东西红灯亮南北绿灯亮东西红灯亮南北绿灯闪东西红灯亮南北黄灯亮原始状态S0.0S0.1S0.5S0.2S0.3S0.4南北绿灯亮东西绿灯亮报警并使I0.0失电I0.0T0T1T2T3T
24、4T5图3-2 交通灯顺序功能图第四章程序设计4.1 PLC交通灯毕业设计梯形图根据第三章介绍编制出程序如下：4.2 PLC交通灯毕业设计语句表根据第三章介绍编制出程序如下：4.3 软件设计交通灯时序波形图时序图是用来显示对象之间的关系，并强调对象之间消息的时间顺序，同时显示了对象之间的交互。下面就根据交通灯的工作要求画出所对应的时序波形图： 启动开关南北红灯南北绿灯南北黄灯东西红灯东西绿灯东西黄灯图4-1 交通灯控制时序波形4.4 PLC系统调试1、常规检查：在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查(包括接线检查、绝缘检查、接地电阻检查、保险检查等)，避免损坏PLC模块(用STEP7的诊断程
25、序对所有模块进行检查)。2、系统调试：系统调试可按离线调试与在线调试两阶段进行。其中离线调试主要是对程序的编制工作进行检查和调试，采用STEP7能对用户编制程序进行自动诊断处理，用户也可通过各种逻辑关系判断编制程序的正误。而在线调试是一个综合调试过程，包括程序本身、外围线路、外围设备以及所控设备等的调试。在线调试过程中，系统在监控状态下运行，可随时发现问题、随时解决问题，从而使系统逐步完善。因此，一般系统所存在的问题基本上可在此过程中得到解决。 第五章PLC交通灯毕业论文设计总结在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在
26、这上面的时间用去很多。 我趁着做课程设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。 经过这段时间的设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时的满富激情到后来汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立
27、思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。谢 辞当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。提笔写下“谢辞”，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展开新的画卷。尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。感谢我的指导老师 在工作之余抽出时间来指导我完成本课题的设计。经过这段时间对课题的探讨与研究，使我从中学到了很多东西，
28、并对PLC的有了进一步的认识。在设计过程中遇到了一些难题，通过老师们的耐心指导和同学们的帮助，使我克服了这些问题，在此表示感谢。同时，也要感谢和我一起度过三个春秋的老师和同学们。在这三年里，我过的很充实。老师和同学们给了我很多帮助，让我的求学生涯丰富而又多彩。在设计过程中，首先是对资料的收集和整理，然后是设计的总体规划，最后就是设计的完成和修改。三年时光稍纵即逝。此时，回头想想这段短暂的求学路，时而喜悦，时而惆怅。在这个美丽的校园里，原本天真幼稚的我如今已蜕变成一个睿智、沉稳的青年，感谢命运的安排，让我有幸结识了许多良师益友，是他们教我如何品味人生，让我懂得如何更好的生活！人生处处是驿站，已是挥手作别之时，在此，向所有帮助过我的人献上我最诚挚的谢意。参考文献1、田淑珍主编， 可编程控制器原理及应用 ，北京：机械工业出版社，20052、廖常初主编， PLC基础及应用 ，北京：机械工业出版社， 20043、廖常初主编， PLC基础及应用 ，北京：机械工业出版社，20024、台 方主编， 可编程序控制器应用教程 ，北京：中国水利水电出版社，20015、张伟林主编， 电气控制与PLC综合应用技术 ，人民邮电出版社，200925